概述：鈦鋁合金粉末生產(chǎn)工藝及3D打印應(yīng)用

鈦鋁合金概述

鈦鋁合金（也稱鈦鋁金屬間化合物）是一種新型輕質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度高、阻燃性能好、抗蠕變抗氧化性能好，兼有金屬材料和陶瓷材料的優(yōu)點，使用溫度為600~900℃，是高溫領(lǐng)域替代較重的鎳基高溫結(jié)構(gòu)材料的理想備選材料之一。

鈦鋁粉末生產(chǎn)工藝

粉末是TiAl金屬間化合物粉末冶金構(gòu)件制備的前提與基礎(chǔ)，對性能起著重要作用。TiAl金屬間化合物粉末制備工藝可分為元素粉末法和預(yù)合金粉末法。

元素粉末法以元素粉末為原材料，成本低、工藝周期短，但是生成相較復(fù)雜、雜質(zhì)含量較高、燒結(jié)性能也較差，其應(yīng)用較少。

預(yù)合金粉末法成分均勻性較好，雜質(zhì)元素含量低，制得的構(gòu)件力學(xué)性能較好，因而成為TiAl金屬間化合物粉末制備的首選工藝。常用的預(yù)合金粉末制備工藝主要有冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化法、電極感應(yīng)熔煉氣霧化法以及等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法。

冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化法（VIGA-CC）

由于TiAl金屬間化合物熔點高、活性大，因而選擇冷壁坩堝。將TiAl金屬間化合物原料放入冷壁坩堝中，當(dāng)感應(yīng)加熱時，在坩堝底部和周圍形成一個殼體，使使感應(yīng)熔化總是在同成分的固態(tài)殼中進行，從而避免了坩堝材料的污染。當(dāng)原料完全熔化并保溫一段時間后，通過底部的導(dǎo)流管進入噴盤，在高速惰性氣流作用下將液流破碎，并快速冷凝成粉末。該工藝制備粉末球形度高、氧含量低，但是存在能耗高，粉末碳含量高的問題。

圖1冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化法示意圖

電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（EIGA）

將TiAl金屬間化合物制作成電極棒，通過感應(yīng)線圈將電極棒加熱熔化并形成細小的液流，經(jīng)過噴盤，在高速惰性氣流作用下將液滴破碎，并快速冷凝成粉末。該工藝為無坩堝無導(dǎo)流管模式，制備的粉末純凈度高，但是液流穩(wěn)定性不易控制，且需提前熔煉出電極，存在成分偏析問題。

圖2電極感應(yīng)熔煉氣霧化法示意圖

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）

將TiAl金屬間化合物制作成電極棒，利用電極棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將電極一端由等離子熔化的金屬液滴沿切向甩出并霧化成粉末。該工藝制備的TiAl 金屬間化合物粉末純凈、球形度高、流動性好、空心粉少。但該工藝受限于電極轉(zhuǎn)速，粉末粒徑較粗，生產(chǎn)效率也較低，由于采用母合金錠作為電極，同樣存在成分偏析問題。

圖3等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法示意圖

盤星新金屬Ti4822粉末特性

盤星Ti4822粉末采用電極感應(yīng)熔煉氣霧化EIGA工藝制備，其粉末成分要求及測試值如下表1所示。

表1 Ti4822化學(xué)成分（wt.%）

制粉過程中，通過關(guān)鍵參數(shù)控制，實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。由于應(yīng)用于EBM技術(shù)，因而篩選出鈦鋁合金粉末的粒徑段為53~150μm，其激光粒度分布見下表2所示。同時統(tǒng)計了6個批次的粉末粒度分布，見下圖6，整體穩(wěn)定。

表2 Ti4822 53~150μm激光粒度分布

圖6 Ti4822（53~150μm）粉末粒度分布D50批次穩(wěn)定性

Ti4822 53~150μm粉末具有優(yōu)異的綜合性能,如下表3所示。同時統(tǒng)計了6個批次的粉末流動性與松裝密度，見下圖7與圖8，整體性能穩(wěn)定。

表3 Ti4822 53~150μm粉末綜合性能

圖7 Ti4822（53~150μm）粉末流動性批次穩(wěn)定性

圖8 Ti4822（53~150μm）粉末松裝密度批次穩(wěn)定性

Ti4822 53~150μm粉末形貌如下圖9所示，球形度高，衛(wèi)星球少。

圖9 Ti4822 53~150μm粉末形貌圖

鈦鋁合金粉末應(yīng)用

目前，TiAl金屬金屬間化合物大量應(yīng)用于航空發(fā)動機低壓渦輪葉片的研制和生產(chǎn)。2006年6月，GE公司宣布將在GEnx發(fā)動機中采用4822合金制造第6,7兩級低壓渦輪葉片，首次實現(xiàn)了TiAl金屬間化合物的工程應(yīng)用。

圖10 中科院金屬所制造的γ-TiAl合金低壓渦輪葉片精密鑄件

增材制造技術(shù)的獨特優(yōu)勢，給TiAl金屬間化合物的成型帶來了新的機遇。適用于鈦鋁合金粉末的增材制造技術(shù)主要包括選區(qū)激光熔化（SLM）、激光金屬沉積（LMD）和電子束選區(qū)熔化（EBM）。其中EBM技術(shù)超高的預(yù)熱溫度、較高的成形效率和良好的成形質(zhì)量使其被認(rèn)為是目前最合適鈦鋁合金異形件成形的增材制造技術(shù)。

圖11 EBM鈦鋁合金大尺寸渦輪葉片

盤星致力粉末研發(fā)和生產(chǎn)

盤星新金屬致力于新型金屬材料、球形金屬粉末的研發(fā)生產(chǎn)，是一家以研發(fā)為導(dǎo)向，精密制造為核心的國家高新技術(shù)企業(yè)。在粉末業(yè)務(wù)方面，盤星新金屬現(xiàn)有10條真空氣霧化生產(chǎn)線，年產(chǎn)鈦合金、高溫合金等高品質(zhì)粉末逾1000噸，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于增材制造、MIM、表面處理等領(lǐng)域。未來，盤星將推出更多元化、低成本的粉末種類，以卓越穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，向客戶提供高效一體化的技術(shù)解決方案。